圖4-3 倍頻器系統設計流程圖
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圖4-3為整個倍頻電路系統設計流程圖，說明了整個從設計架構到到電路板完成 的過程。系統架構方面我們將現有的訊號產生器SMC100A，所能產生的最高頻率 1.1GHz先進入一個功率放大器提高功率20dB，之後再進入被動式的倍頻器，倍頻器 約會有15-20dB的轉換損失，之後再接一個3dB的衰減器以減少過大的功率進入SPDT 開關。
SPDT開關通過邏輯閘的控制，可以讓RF訊號選擇走兩路中的一路。一路是接10dB 的衰減器然後輸出1.4-2.2GHz的頻率，另一路則是再經過一次的功率放大器和倍頻器，
然後輸出達到四倍頻的2.8-4.0GHz，其系統架構圖如圖4-4 所示:
圖4-4 倍頻電路架構圖
在IC選擇上，使用Hittite Microwave的HMC156C8和HMC158C8被動式的頻率倍 頻器IC，操作頻率分別為0.7-2.4GHz和1.3-4.0GHz。功率放大器使用ADL5602，他可 以提供20dB的增益，並且可以工作在50MHz-4.0GHz的頻率；而SPDT開關是使用 HMC547LP3E，操作頻率為DC-20GHz，並且以負5V電壓來操作邏輯開關。
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在衰減器的設計中，為了達到3dB和10dB的衰減，我採用型∏型電阻式衰減器，
我們直接採用查圖表的方式得知，3dB衰減模組的電阻值分別為17.8Ω和294Ω，如圖 4-5所示。
圖4-5 3dB衰減器模組
10dB衰減器模組的電阻值分別為82.5Ω和88.7Ω，如圖4-6所示。
圖4-6 10dB衰減器模組
圖4-7 PI型衰減器對應的電阻值圖表
R7 294
GND
R9 294
GND
3dB
R8 17.8
GND R3
88.7
R11 88.7
10dB
R10 82.5
GND
36
圖4-8 Orcad電路圖
圖4-8 為Orcad的電路圖，為了使電路圖在layout軟體上更快速的完成，先使用了 Orcad電路圖型軟體把電路圖先完成了，之後在輸出 .asc檔案，可供PADS Layout軟 體直接讀取，減少Layout的時間。在layout部分採用合勤科技的FR4六層板，板層的規 格如圖4-9所示。板層的第一層為零件放置與RF走線， 第四層也用做走線層並且走電 源線，其他層則是設定為接地層。
圖4-9 FR4六層板
GND
U5 GND
SW_B
SW SPDT/SM
J2 HEADER_3x1
1 2 3 GND
L1 470 nH
GND R1
100ohm
C10
0.1uF/16V
GND GND
R11 88.7
V2 5Vdc
C21 0.1uF/16V
GND
GND
SW_A
SW SPDT/SM
GND U2
GND
GND C11
100pF/50V
GND C5
0.1uF/16V
Vdd
C3 1nF/50V
GND
R10 82.5
GND GND
RF10
R6 294
GND
R2
100ohm
GND GND
R8 17.8 Vdd
U4
GND L2
470 nH GND
GND
Vdd C2 1 uF/100V
R5 17.8
GND C4 68 pF/50V
GND GND
Vgg
U6
HMC156C8 1 3 4 2
8 6 5 GND 7 GND GND RFIN
GND GND GND RFOUT U14
ADL5602
42
1 3
GNDGND
RFIN RFOUT
GND
GND
RF10
V2 -5Vdc GND
R7 294
GND
U13
HMC158C8 1 3 4 2
8 6 5 GND 7 GND GND RFIN
GND GND GND RFOUT GND
Vdd
GND
R9 294 C7 1 uF/100V
GND U8
HMC547LP3 1
2 3 4
5678
9 10 11 12
13141516
N/C GND RFC GND
N/CGNDRF1GNDN/CB A N/C
GNDRF2GNDN/C
3dB
GND
R3 88.7
C6 0.1uF/16V
GND
10dB GND
U15 ADL5602
42
1 3
GNDGND
RFIN RFOUT C8 1nF/50V
C9 68 pF/50V GND
3dB
GND R4
294
J1 HEADER_3x1
1 2 3
37
走線部分採用CPW，走線寬的寬度和走線與旁邊鋪銅的距離設定，我們使用ADS 的linecalc軟體去計算。在計算當中，我們將會考慮走線對第二層板的接地層去計算和 對第三層接地層去嘗試計算，進而得到的線寬是否符合所需。
圖4-10 以第二層接地層ADS Linecalc計算結果
為了要達到50歐姆的阻抗匹配，我們設定走線與鋪銅的距離固定為5mil，鋪銅與第 二層接地層的高度為3.6mil，銅箔厚度則設為1.7mil，介電質為4.2，經由Linecalc計算 後得到走線的寬度約為6mil，如圖4-10所示。而為了增加表層鋪銅與接地層的高度，
我們採用把第二層接地層與走線相對應的區域挖空，讓表面層的走線直接對應第三層 的接地層，因此我們依照圖4-9的訊息可以把H的值設為8.9mil，其他數值則不需要改 變，一樣設50Ω的阻抗配，但線寬的數值則變為約12mil，其結果如圖4-12所示，而我 們將會採用這個數值去設計layout線寬，這樣使得線寬較寬在徒手上件會比較容易。
38
圖4-11 第二層板RF走線挖空layout
圖4-12 以第三層接地層ADS Linecalc計算結果
RF走線設定完之後，我們設定電源layout，在電源走線我們採用30mil的寬度的設 定，供給需要電源的元件；最後再預留給SMA接頭的layout，並且與RF走線連接，完
39
成倍頻器系統電路layout，如圖4-13 所示。
圖4-13 Freq Doubler最後的layout圖
完成電路的layout，我們將設定鋪銅與元件和走線的距離然後鋪銅，如圖4-14所示。
圖4-14 設定鋪銅後的layout圖
40
在全部設計完之後，為了要確保layout的元件接腳確實符合實際IC的接腳，我們 可以先嘗試使用CAM出圖，並且使用印表機列印出，再使用手上現有的IC嘗試腳位 的位置大小是否符合，以此方法去檢測layout的元件接腳圖是否正確。圖4-15為layout 出圖列印出的圖型。
圖4-15 layout出圖圖型
在送出layout最終版本期間則必頇和工程師互相的討論並且修改電路，並且確實 得把orcad的電路圖與layout的元件編號對應好，以確保在上元件時不會發生無法比對 的錯誤。最後成品再焊上SMA接頭和電源的接腳完成倍頻電路模組電路板，如圖4-16 為倍頻電路模組成品。
41
圖4-16 倍頻電路模組成品
42
第五章
量測與數據討論
在數據量測上，我們使用系上現有的SMC100A訊號產生器與FSH4頻譜分析儀預 先量測，量測範圍從1.3GHz到3.6GHz，圖5-1和5-2為訊號產生器和頻譜分析儀，圖5-3 為實際接上訊號產生系與頻譜分析儀。
圖5-1 SMC100A訊號產生器
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圖5-2 FSH4頻譜分析儀
圖5-3 倍頻器模組實際量測圖
44
由於系上的電源供應器和頻譜分析儀並無法可以完整的量出此倍頻電路模組的 工作頻率，我們外借了可提供頻率更高的訊號產生器和量測頻率更廣的頻譜分析儀，
量出完整的頻段1.3GHz到8.0GHz，圖5-4與5-5為外借的訊號產生器與頻譜分析儀。
當倍頻模組的控制開關操作在兩倍頻模式，輸入功率為2dBm，輸入頻率介於 0.65GH～2.4GHz時，即可輸出介於1.3GHz～2.8GHz的兩倍頻訊號，由圖5-6可知轉換 損耗介於-17～-32dB。此外，由圖5-7 可以得到基頻的隔離度為介於-8～-28dB，而三 倍頻的隔離度為介於-15～-48dB。我們可以從圖5-7中得知，當操作頻率接近倍頻器 操作頻帶邊緣時，隔離度有急速變差的情況。
當訊號產生器輸入功率為-2dBm時，由圖5-8可知轉換損耗介於-18～-32dB。基頻 隔離度介於-8～-35dB，而三倍頻隔離度介於-18～-45之間，如圖5-9所示。在與輸入 2dBm比較後，可以發現隨著輸入功率變小，基頻隔離度會隨著頻率有逐漸減少的趨 勢。
圖5-4 HP 83752A訊號產生器
45
圖5-5 FSQ26頻譜分析儀
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
conversion loss
Doubled RF Frequency (GHz)
conversion loss (dB)
圖5-6 輸入2dBm時輸出頻率對轉換損失量測結果
46
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
-60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
1st isolation 3rd isolation
Doubled RF Frequency (GHz)
isonlation (dB)
圖5-7 輸入2dBm時輸出頻率對隔離度量測結果
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10
conversion loss
Doubled RF Frequency (GHz)
conversion loss (dB)
圖5-8 輸入-2dBm時輸出頻率對轉換損失量測結果
47
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
-60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
1st isolation 3rd isolation
Doubled RF Frequency (GHz)
isonlation (dB)
圖5-9 輸入-2dBm時輸出頻率對隔離度量測結果
在圖5-10，輸入功率-10dBm時，轉換損失介於-31 ～-47dB之間，其基頻隔離度 已經變得達不到要求為-13～14dB，基頻在某些頻率比主頻的功率還要高，而對三倍 頻的抑制能力還約在介於-8dB～-35dB之間，圖5-11所示。
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
-55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20
conversion loss
Doubled RF Frequency (GHz)
conversion loss (dB)
圖5-10 輸入-10dBm時輸出頻率對轉換損失量測結果
48
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
-60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15
1st isolation 3rd isolation
Doubled RF Frequency (GHz)
isolation (dB)
圖5-11 輸入-10dBm時輸出頻率對隔離度量測結果
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10
conversion loss
Doubled RF Frequency (GHz)
conversion loss (dB)
圖5-12 輸入10dBm時輸出頻率對轉換損失量測結果
在輸入功率為10dBm時，轉換損失約介於-22～-38dB之間，圖5-12所示，其基頻 隔離度介於-30～-5之間，而三倍頻的抑制能力介於-37～-8dB之間，如圖5-13所示。
圖5-14為800MHz的倍頻輸出頻譜。
49
輸出平整度(Flatness)也可以是一種訊號產生器的規格，我們將每一段的輸出頻率 的輸出功率大小取平均值，並與每一段的輸出功率的差取絕對值，並且把這些差額取 平均數，最後在與輸出功率的平均值比值為平整度。其數學表示式如下
其兩倍頻輸出頻率取2GHz到4GHz頻率在輸入2dBm輸出平整度為0.52。
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10
1st isolation 3rd isolation
Doubled RF Frequency (GHz)
isolation(dB)
圖5-13 輸入10dBm時輸出頻率對隔離度量測結果
50
圖5-14 輸入頻率為800MHz倍頻的輸出頻譜
我們把倍頻模組的控制開關操作在四倍頻模式，其輸入頻率 0.65Gz 到 2GHz，即 可表示輸出率介於 2.6GHz 到 8GHz。由圖 5-15 和圖 5-16 可知，當輸入 2dBm 時轉換 損失借於-5dB～-28dB，其三倍頻的隔離度介於-4～-14dB 之間，則五倍頻隔離度介於 7～-27dB 之間。
51
2 3 4 5 6 7 8
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
conversion loss
quad frequency (GHz)
conversion loss (dB)
圖5-15 輸入2dBm時輸出四倍頻率對轉換損失量測結果
2 3 4 5 6 7 8
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15
3rd 5th
quad frequency (GHz)
isolation (dB)
圖5-16 輸入2dBm時輸出四倍頻率對隔離度量測結果
52
2 3 4 5 6 7 8
-60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10
conversion loss
quad frequency (GHz)
conversion loss (dB)
圖 5-17 輸入-6dBm 時輸出四倍頻率對轉換損失量測結果
2 3 4 5 6 7 8
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10
3rd 5th
quad frequency (GHz)
isolation(dB)
圖5-18 輸入-6dBm時輸出四倍頻率對隔離度量測結果
當輸入為-6dBm 時，由圖 5-17 和圖 5-18 可以知道，轉換損失介於-17dB～-48dB 之間，三倍頻隔離度介於-2dB～-28dB 之間，五倍頻隔離度則介於 2dB～-40 之間。
輸入 10dBm 時，由圖 5-19 和圖 5-20 知，轉換損失界於-15.6～-39.2 之間，三倍頻隔 離度介於 6.9dB～-7.5dB 之間，五倍頻隔離度介於 5.6dB～-32.5dB 之間。
53
2 3 4 5 6 7 8
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10
conversion loss
quad frequency (GHz)
conversion loss (dB)
圖 5-19 輸入 10dBm 時輸出四倍頻率對轉換損失量測結果
2 3 4 5 6 7 8
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15
3rd 5th
quad frequency (GHz)
isolation(dB)
圖5-20 輸入10dBm時輸出四倍頻率對隔離度量測結果
我們在數據比較之間發現，在輸出頻率 2.6GHz 時，則因為輸入頻率為 650MHz 屬於超出 HMC156C8 倍頻器規格(0.7GHz-2.4GHz)，所以轉換損失和隔離度則是較差，
但隨著頻率的升高，則有趨於改善。圖 5-21 為輸入 800MHz 四倍頻後之輸出頻譜。
其輸出四倍頻輸出取 3.2GHz 到 7.2GHz 頻率在輸入 2dBm 時的平整度為 0.68。
平整度則是較兩倍頻的 0.52 為差，輸出的的功率差距較大。
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圖 5-21 輸入 800MHz 時四倍頻輸出頻譜